Anordnung und Verfahren zur Regeneration eines Dieselpartikelfilters

Abstract

 Es wird eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Behandlung der Abgase eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors (10) - insbesondere eines Dieselmotors mit einem Abgasturbolader (32) und einem hinter dem Turbolader vorgesehen Oxidationskatalysator (16) mit anschließendem Dieselpartikelfilter (18) - vorgeschlagen, bei der bzw. bei dem zur Verbesserung der Wirksamkeit der Abgasreinigung ein vor dem Turbolader (32) angeordneter zusätzlicher Oxidationskatalysator (20) vorgesehen ist. Um zu ermöglichen, daß der für die Regeneration des Dieselpartikelfilters (18) nacheingespritzte Kraftstoff nicht bereits in dem zusätzlichen Oxidationskatalysator (20) aufoxidiert wird, werden nur die Abgase einer ersten Zylindergruppe (14) über diesen Oxidationskatalysator geleitet und nur die Abgase der verbleibenden Zylinder (12) an dem zusätzlichen Oxidationskatalysator (20) vorbeigeleitet. Um dabei Ungleichförmigkeiten im Motorlauf zu vermeiden, werden die Einspritzmengen durch die Motorsteuerung entsprechend angepaßt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Behandlung der Abgase eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein entsprechendes Verfahren.

[0002] Im Zuge fortschreitender Bemühungen zur Verbesserung der Kraftstoffausnutzung ist insbesondere bei Dieselmotoren die Tendenz zu beobachten, daß bei neuartigen Verbrennungsmodi die CO- und HC-Emissionen im unbehandelten Abgas ansteigen, wohingegen die Abgastemperatur am Zylinderauslaß sinkt. Konventionelle Oxidationskatalysatoren (z. B. Dreiwegekatalysatoren) müssen - wie allgemein bekannt - in einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden, damit eine effiziente Umsetzung der Abgasschadstoffbestandteile (wie HC oder CO) stattfinden kann. Diese Temperaturen werden jedoch insbesondere dann, wenn der Oxidationskatalysator in Abgasströmungsrichtung hinter einem AbgasTurbolader angeordnet ist, nicht mehr ohne weiteres erreicht, so daß in diesem Falle keine optimale Abgasreinigung mehr möglich ist und das Anspringverhalten des Oxidationskatalysators nach dem Motorstart verschlechtert ist. Eine zusätzliche - z. B. elektrische - Heizung des Oxidationskatalysators ist zwar grundsätzlich möglich, erhöht jedoch den konstruktiven Aufwand und verschlechtert die Gesamtenergieausnutzung. Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Katalysatoreffizienz ist eine Anordnung des Oxidationskatalysators näher an den Zylindern. Eine derartige Maßnahme kommt jedoch - insbesondere bei einem Dieselmotor mit Abgasturbolader - aus verschiedenen Gründen regelmäßig nicht in Betracht, u.a. aufgrund mangelnden Bauraums oder der Gefahr einer Überhitzung. Außerdem wird es bei Dieselmotoren aufgrund verschärfter Abgasnormen zunehmend erforderlich, zusätzlich einen Partikelfilter (DPF, diesel particulate filter) im Abgasweg anzuordnen, der aus verschiedenen Gründen ebenfalls nicht in der Nähe der Zylinder - erst recht nicht vor einem Abgasturbolader - angeordnet werden kann. Ein derartiger Partikelfilter ist in bekannten Abgasbehandlungsanordnungen unmittelbar hinter einem Oxidationskatalysator vorgesehen. Um eine regelmäßige Regeneration, d. h. Verbrennung der im Filter angesammelten Rußpartikel, zu initiieren, wird bei bekannten Partikelfilteranordnungen der Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas und somit die Abgasenthalpie durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder erhöht. Dies führt dann im Oxidationskatalysator zu einer verstärkten Oxidation und somit zu einer Abgastemperaturerhöhung, die sich auf den Partikelfilter fortsetzt und dort eine Regeneration einleitet. Insgesamt ist es also in der Regel nicht möglich, den Oxidationskatalysator zusammen mit dem Partikelfilter in unmittelbarer Nähe zu den Zylindern - insbesondere noch vor einem Abgasturbolader - anzuordnen. Mit einer zylinderfernen Anordnung können jedoch die notwendigen Abgasreinigungsraten in vielen Fällen nicht erzielt werden.

[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der Abgasreinigung zu verbessern, wobei aber gleichzeitig die Regeneration eines Dieselpartikelfilters nicht beeinträchtigt werden soll.

[0004] Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 9.

[0005] Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0006] Die verbesserte Abgasreinigung wird dadurch erzielt, daß zusätzlich zu der vorzugsweise aus einem Oxidationskatalysator und einem Dieselpartikelfilter bestehenden Abgasbehandlungseinrichtung, die nachfolgend als "Primärabgasbehandlungseinrichtung" bezeichnet wird, eine zweite Abgasbehandlungseinrichtung vorgesehen ist, die nachfolgend als "Sekundärabgasbehandlungseinrichtung" bezeichnet wird und die näher an den Zylinderauslaßventilen angeordnet ist. Insbesondere ist die Sekundärabgasbehandlungseinrichtung bevorzugt in Strömungsrichtung noch vor einem Abgasturbolader angeordnet. Hierdurch werden der Sekundärabgasbehandlungseinrichtung heißere Abgase zugeführt, als dies bei der Primärabgasbehandlungseinrichtung möglich wäre, wodurch eine effizientere Abgasreinigung und ein besseres Anspringverhalten erzielt wird. Allerdings führt eine derartige Sekundärabgasbehandlungseinrichtung zu einem Problem bei der Regeneration eines Partikelfilters: Die in diesem Falle gewünschten erhöhten Kohlenwasserstoffanteile im Abgas würden bereits von der Sekundärabgasbehandlungseinrichtung mit hohen Konvertierungsraten aufoxidiert, so daß die erforderl i-che Temperaturerhöhung am Primäroxidationskatalysator ausbliebe.

[0007] Vor diesem Hintergrund ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß der Motor für verschiedene Zylinder geteilte Abgaswege aufweist, und daß nur die Abgase einer ersten Zylindergruppe einer zusätzlichen Abgasreinigung durch die Sekundärabgasbehandlungseinrichtung unterzogen werden, wohingegen die Abgase einer zweiten Zylindergruppe an der Sekundärabgasbehandlungseinrichtung vorbeigeführt werden. Diese Anordnung eröffnet die Möglichkeit, im Rahmen der Regenerationsphase lediglich eine Nacheinspritzung für die Zylinder der zweiten Zylindergruppe vorzusehen, so daß das entsprechende Abgas mit erhöhter Enthalpie direkt der Primärabgasbehandlungseinrichtung zugeführt wird. Eine Nacheinspritzung in die Zylinder der ersten Zylindergruppe wird dagegen bevorzugt vermieden, da dies lediglich zu einer unerwünschten Temperaturerhöhung in der Sekundärabgasbehandlungseinrichtung führen würde, die die Kraftstoffausnutzung beeinträchtigt und zu einer Beschädigung der Sekundärabgasbehandlungseinrichtung führen kann. Im Normalbetrieb - d. h. im vorliegenden Falle der Betrieb außerhalb der Regenerationsphase - werden zwar lediglich die Abgase der ersten Zylindergruppe durch die Sekundärabgasbehandlungseinrichtung zusätzlich gereinigt; dies reicht jedoch in vielen Fällen bereits aus, um die Abgasreinigung in dem erforderlichen Maße zu verbessern, da der Primärabgasbehandlungseinrichtung dann Abgase zugeführt werden können, die im Hinblick auf ihren CO- und HC-Gehalt dem Rohemissionsniveau bei herkömmlicher Verbrennung entsprechen.

[0008] Bei einem Verbrennungsmotor mit V-förmiger Zylinderanordnung bietet es sich konstruktiv an, die Sekundärabgasbehandlungseinrichtung im Abgaskrümmer für eine Zylinderreihe vorzusehen, wohingegen im Abgaskrümmer der anderen Zylinderreihe keine zusätzliche Abgasbehandlungseinrichtung vorgesehen ist. Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, jede beliebige Anzahl von Zylindern in der ersten und der zweiten Zylindergruppe vorzusehen; insbesondere ist es auch denkbar, daß lediglich die Abgase eines einzelnen Zylinders an der Sekundärabgasbehandlungseinrichtung vorbei geführt werden, wobei dieser Einzelzylinder dann zur Erzeugung des enthalpiereichen Abgases für die Regeneration eingesetzt wird, wobei die Abgase der übrigen Zylinder zusätzlich gereinigt werden können. Zu diesem Zwecke kann es auch vorgesehen sein, daß mehrere, räu m-lich voneina nder getrennte Sekundärabgasbehandlungseinrichtungen eingesetzt werden, beispielsweise zwei derartige Einrichtungen für beide Zylinderreihen eines V-Motors, wobei dann beispielsweise die Abgase eines einzelnen Zylinders einer Reihe erst hinter der Sekundärabgasbehandlungseinrichtung in den Abgaskrümmer eingespeist werden, so daß für diesen Zylinder die jeweilige Sekundärabgasbehandlungseinrichtung umgangen wird.

[0009] Um Ungleichförmigkeiten im Motorlauf in der Regenerationsphase trotz unterschiedlicher Einspritzstrategien für beide Zylindergruppen zu vermeiden, müssen die Mitteldrücke aller Zylinder zumindest näherungsweise synchronisiert bzw. ausgeglichen werden. Zu diesem Zweck können Sensoren verwendet werden, die Schlüsse auf den Verbrennungsablauf zulassen. Dies können integrierte Zylinderdrucksensoren (Anordnung z.B. in der Glühkerze, der Zylinderkopfdichtung oder individuell) oder Beschleunigungssensoren (z.B. Klopfsensoren) sein. Die Anpassungen der für jede Zylinderbank individuellen Einspritzmengen bzw. Einspritzverläufe können mit Hilfe einer geeigneten (rückgekoppelten) Regelung durch eine Motorsteuerung erreicht werden. Es ist jedoch auch weiterhin möglich, die Einspritzungen ausschließlich mittels Steuer-Kennfeldern zu kontrollieren, wie bei verschiedenen Steuerungen nach dem Stand der Technik bekannt.

[0010] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.

[0011] Die einzige Figur zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsanordnung. Der in der Figur schematisch dargestellte Verbrennungsmotor 10, bei dem es sich im konkreten Ausführungsbeispiel um einen Sechszylinder-Dieselmotor handelt, weist zwei Zylinderreihen 12 und 14 in V-Konfiguration auf. Die Abgase aus den Auslaßventilen der beiden Zylinderreihen werden zunächst über zwei getrennte Abgaskrümmer 24, 26 gesammelt, die sich vor einem Abgasturbolader 32 zu einem gemeinsamen Abgasweg 22 für sämtliche Zylinder vereinigen. Der Abgasturbolader 32 weist eine im Abgasstrom befindliche Turbine auf, über deren Rotation in bekannter Weise die Einlaßluft zusätzlich komprimiert wird (der Einlaßzweig ist in der Figur nicht dargestellt).

[0012] In Strömungsrichtung hinter dem Abgasturbolader 32 ist eine insgesamt mit 30 gekennzeichnete Primärabgasbehandlungseinrichtung vorgesehen, die einen Oxidationskatalysator 16 (in diesem Falle ein konventioneller Dreiwegekatalysator) sowie einen unmittelbar in Strömungsrichtung dahinter angeordneten Dieselpartikelfilter 18 (DPI, diesel particulate filter) aufweist. Der Dieselpartikelfilter 18 nimmt die im Abgas befindlichen Rußpartikel auf. Um einem Zusetzen des Partikelfilters 18 und einem damit verbundenen Druckverlust entgegenzuwirken, wird in einer aus dem Stand der Technik bekannten Weise in regelmäßigen Abständen von einer (nicht näher dargestellten) elektronischen Motorsteuerung eine Regenerationsphase initiiert, innerhalb derer die angesammelten Rußpartikel verbrannt werden. Der Zeitpunkt der Regeneration kann aus Meßwerten festgelegt werden (z. B. anhand eines Druckabfalls über dem Partikelfilter) oder aus Motorbetriebsparametern abgeschätzt werden, wobei die Regeneration bevorzugt nur in bestimmten, besonders geeigneten Motorbetriebszuständen durchgeführt wird.

[0013] Zur Einleitung der Regeneration ist es erforderlich, daß die Temperatur der Primärabgasbehandlungseinrichtung 30 stark erhöht wird. Dies geschieht - wie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt - dadurch, daß eine Nacheinspritzung von Treibstoff in die Zylinder vorgenommen wird, durch die die der Primärabgasbehandlungseinrichtung 30 zugeführten Abgase einen erhöhten Anteil unoxidierter Kohlenwasserstoffe aufweisen. Diese werden dann in dem Oxidationskatalysator 16 oxidiert. Die dabei freiwerdende Verbrennungswärme heizt dann den unmittelbar im Abgasweg nachfolgend angeordneten Dieselpartikelfilter 18 auf und führt zu einer Verbrennung der Rußablagerungen.

[0014] Da aufgrund ihres relativ großen Raumbedarfs (und aus anderen, z. B. thermischen Gründen) die Primärabgasbehandlungseinrichtung 30 erst hinter dem Abgasturbolader 32 angeordnet werden kann, ist bei Verbrennungsmodi mit niedrigen Abgastemperaturen eine ausreichende Katalysatortemperatur und damit eine ausreichende Abgasreinigung durch den Oxidationskatalysator 16 nicht immer gewährleistet, da die Abgase auf dem langen Abgasweg abkühlen, wobei dieser Effekt durch den zwischengeschalteten Abgasturbolader 32 noch verstärkt wird. Daher werden Teilströme der Abgase zur Unterstützung des Oxidationskatalysators 16 durch einen - in der Regel kleiner dimensionierten - zusätzlichen Oxidationskatalysator 20, der auch als Vor-Turbinen-Katalysator (PTC, pre turbine catalist, PTC) bezeichnet wird, gereinigt. Dieser ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich im Abgasweg 26 der rechten Zylinderreihe 14 angeordnet, so daß die Abgase der linken Zylinderreihe 12 an dem Oxidationskatalysator 20 vorbeigeführt werden. Obwohl der Oxidationskatalysator 20 nur einen Teil der Abgase reinigt, kann hierdurch bereits eine deutliche Verbesserung der Gesamtabgasreinigung am Abgasendrohr sowie des Anspringverhaltens erzielt werden.

[0015] Zur Regeneration des Dieselpartikelfilters 18 wird von der Motorsteuerung eine Nacheinspritzung lediglich in die Zylinder der linken Zylinderreihe 12 veranlaßt, so daß die dadurch entstehenden Abgase mit einem erhöhten Gehalt unverbrannter Kohlenwasserstoffe an dem zusätzlichen Oxidationskatalysator 20 vorbeigeführt werden und wie gewünscht erst in dem Oxidationskatalysator 16 der Primärabgasbehandlungseinrichtung 30 aufoxidiert werden. Da die Einspritzung der anderen Zylinderreihe 14 soweit wie möglich unverändert bleiben soll, der Verbrennungsvorgang in der Zylinderreihe 12 durch die Nacheinspritzung jedoch beeinflußt wird, wird durch die Motorsteuerung eine entsprechende Anpassung der Einspritzung zum Ausgleich von Ungleichförmigkeiten im Motorlauf durchgeführt. Dabei können die Einspritzmengen und -zeiten für beide Zylinderreihen 12, 14 angepaßt werden, z. B. kann die Einspritzmenge bei der Haupteinspritzung in die Zylinderreihe 12 etwas verkürzt werden, um der durch die Nacheinspritzung bedingten vergrößerten Verbrennungsenergie (z. B. aufgrund von Kraftstoffresten, die nach dem Ausstoßhub im Zylinder verbleiben) Rechnung zu tragen. Diese Anpassung kann entweder durch feste, in einem Tabellenspeicher abgelegte Intervention in die Einspritzsteuerung erfolgen. Alternativ kann ein unrunder Motorlauf auch beispielsweise durch einen hoch auflösenden Kurbelwellenwinkelsensor erfaßt und im Rahmen einer Rückkopplungsregelung ausgeglichen werden.

[0016] Wenngleich im bislang beschriebenen Ausführungsbeispiel die Zylinder einer ganzen Reihe 12 nicht zusätzlich katalysiert werden, kann die Anzahl der nicht zusätzlich katalysierten Zylinder auch reduziert werden, um die Wirkung der zusätzlichen Abgasreinigung zu verbessern. Bei einem Motor mit V-Anordnung könnte beispielsweise durch einen weiteren Oxidationskatalysator 28 (in der Zeichnung gestrichelt dargestellt) der Abgasstrom aus den beiden hinteren Zylindern der linken Zylinderreihe 12 zusätzlich gereinigt werden, so daß lediglich ein Zylinder zur Durchführung der Nacheinspritzung verbleibt. Es ist grundsätzlich denkbar, daß bei diesem Zylinder in der Regenerationsphase durch Veränderung der Ventilsteuerung eine Verbrennung unterbunden wird, so daß das gesamte unverbrannte Gemisch der Primärabgasbehandlungseinrichtung 30 zugeführt werden kann. Eine derartige Deaktivierung der Verbrennung ist selbstverständlich auch für mehr als einen Zylinder möglich, solange der Motorbetrieb ordnungsgemäß aufrechterhalten werden kann.

[0017] Wenngleich die vorliegende Erfindung anhand eines Dieselmotors 10 mit einem Abgasturbolader 32 beschrieben wurde, kann die erfindungsgemäße Idee auch in Zusammenhang mit anderen Abgasreinigungseinrichtungen, die einer regelmäßigen Regeneration bedürfen, und bei anderen Motortypen mit oder ohne Abgasturbolader eingesetzt werden, beispielsweise auch bei Motoren mit Abgasrückführung.

Ansprüche

1. Anordnung zur Behandlung der Abgase eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors (10), bei dem eine Primärabgasbehandlungsreinrichtung (30) in einem gemeinsamen Abgasweg (22) für sämtliche Zylinder angeordnet ist, die periodisch auf Veranlassung einer Motorsteuerung durch Veränderung der Kraftstoffeinspritzung einer Regeneration durch Erhöhung der Kohlenwasserstoffkonzentration im Abgas bzw. der Abgasenthalpie unterzogen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Zylinder in eine erste (14) und eine zweite (12) Zylindergruppe unterteilt sind, daß in Strömungsrichtung vor der Primärabgasbehandlungseinrichtung (30) wenigstens eine Sekundärabgasbehandlungseinrichtung (20) vorgesehen ist, über die die Abgase aus der ersten Zylindergruppe (14) geführt werden und anschließend in den gemeinsamen Abgasweg (22) geführt werden, und daß die Abgase aus der zweiten Zylindergruppe (12) an der Sekundärabgasbehandlungseinrichtung (20) vorbei in den gemeinsamen Abgasweg (22) für sämtliche Zylinder geführt werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
   im gemeinsamen Abgasweg (22) für sämtliche Zylinder ein Abgasturbolader (32) angeordnet ist, und daß die Sekundärabgasbehandlungseinrichtung (20) in Strömungsrichtung vor und die Primärabgasbehandlungseinrichtung (30) in Strömungsrichtung hinter dem Abgasturbolader (32) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
   der Verbrennungsmotor (10) als Dieselmotor ausgebildet ist, und daß die Primärabgasbehandlungseinrichtung (30) einen Oxidationskatalysator (16) und einen in Strömungsrichtung unmittelbar hinter diesem angeordneten Partikelfilter (18), der regelmäßig einer Regeneration zur Verbrennung der Rußpartikel bedarf, aufweist.

4. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Sekundärabgasnachbehandlungseinrichtung (20) als Oxidationskatalysator ausgebildet ist.

5. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Zylinder des Verbrennungsmotors V-förmig in zwei Zylinderreihen (12, 14) mit für jede Reihe separaten Abgaskrümmern (24, 26) angeordnet sind, die sich in Strömungsrichtung vor dem Abgasturbolader (32) zu dem gemeinsamen Abgasweg (22) für sämtliche Zylinder vereinigen, wobei die Sekundärabgasbehandlungseinrichtung (20) im Abgasströmungsweg des Abgaskrümmers einer Zylinderreihe (26) in räumlicher Nähe zu den Zylindern angeordnet ist.

6. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Motorsteuerung derart ausgebildet ist, daß zur Durchführung einer Regeneration eine Nacheinspritzung in die zweite Zylindergruppe (12) veranlaßt wird.

7. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
   die Motorsteuerung derart ausgebildet ist, daß während des Regenerationsvorganges die Mitteldrücke bei den Verbrennungsvorgängen sowohl in den Zylindern der ersten als auch der zweiten Zylindergruppe (12,14) derart aneinander angepaßt werden, daß ein gleichmäßiger Motorlauf gewährleistet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
   einzelnen oder sämtlichen Zylindern Druck- und/oder Klopfsensoren zugeordnet sind, und daß die Motorsteuerung derart ausgebildet ist, daß die Einspritzmengen und/oder die Einspritzzeiten anhand der Ausgangssignale der Sensoren derart geregelt werden, daß auch im Regenerationsbetrieb der Mitteldruck sämtlicher Zylinder im Wesentlichen gleich ist.

9. Verfahren zum Betrieb einer Abgasbehandlungsanordnung, die nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
   zur Regeneration der Primärabgasbehandlungseinrichtung (30) in den Zylindern der zweiten Zylindergruppe (12) eine Veränderung der Einspritzung derart erfolgt, daß die Kohlenwasserstoffkonzentration bzw. die Enthalpie des der Primärabgasbehandlungseinrichtung (30) zugeführten Abgases vergrößert werden, während die Einspritzung in die Zylinder der ersten Zylindergruppe (14) lediglich dahingehend angepaßt wird, daß Ungleichförmigkeiten im Motorlauf vermieden werden.

Zeichnung